java烟雾检测算法 烟雾检测仪原理

01烟雾检测器

古代中国人通过长城上的烽火所产生的烟雾来传递信息，但在城市丛林中，如果出现了烟雾，就预示着发生了严重的火灾事故。烟雾检测器可以实现火灾检测和防范。

检测烟雾的传感器种类包括有光电式、离子式、半导体气敏式等多种烟雾传感器。有的场景中，会同时使用多种烟雾传感器协同工作。

^{▲ 离子式、半导体漆面式、光电式烟雾传感器}

离子式烟雾传感器原理简单，价格便宜。它是在上个世纪60~70年代逐步推广使用的。它采用了人造放射源95号元素镅241(Am241)，封装在由金属构成的电离室。

02离子传感原理

镅241半衰期为432年，衰变产生能量为5.4MeV的α离子和γ射线，射线通过电离室时电离空气分子，产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

^{▲ 放射性离子在电离室产生例子，在电场作用下形成电流}

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾进入电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，经过电路放大便产生检测信号。

这个常见的电离烟雾探测报警器内的小“纽扣”中含有极少量的镅-241，它就躲藏在金箔下面，放射性强度为0.9毫居里，放射性活度是29.6k贝克(每秒约3万次原子衰变裂变)。

^{▲ 电离烟雾传感器正面和内部放射性Am241金属纽扣}

烟雾报警器的塑料外壳通常足以阻挡α射线，这些α射线在空气中 也只能穿过几厘米，它甚至无法穿过人的皮肤。

当然镅也会释放出一些γ射线，但强度小于50nSV，甚至低于吃一根香蕉所受到的100nSV的辐射剂量。因此离子传感器通常情况下对人体不会造成放射性伤害。

烟雾检测器中的镅-241含量很少，所产生的离子电流非常小。假如每一次原子衰变都能够产生一个电离电子，那么29.6kBq的放射量所产生的电流大约为：

普通的运放是无法放大这么微弱的电流信号的。这需要使用F3140, INA116这类极高输入阻抗的运放才能够进行放大。

下面是使用INA116离子电流放大器对烟雾传感器输出信号进行放大的电路图。

^{▲ 使用INA116运放放大烟雾传感器输出信号}

03实验

离子烟雾传感器一般包括有三个电极，分别连接到外壳、内部金属帘、以及放射源承载金属纽扣。

在放射源极与金属壳级之间施加一个电压。放射性Am,-241所产生的射线在附近空气中产生的离子就会形成稳定的电流。位于中间的金属层经过一段时间电荷积累，最后形成稳定的电压输出。

^{▲ 传感器放大实验电路}

在金属壳上开有缝隙，方便烟雾进入壳内。烟雾进入之后，就会吸收其中的离子电荷。由于烟雾颗粒质量比空气分子大得多，因此在热平衡之后，烟雾颗粒运动速度慢，减弱了金属帘与外壳之间的电流，进而使得金属帘极的电压发生变化。

下图显示了在烟雾传感器附近点着纸张所产生的烟雾对放大信号的影响。

^{▲ 烟雾传感器对附近的烟雾有反应}

通过检测电压变化，可以对烟雾进行报警。有一些专用离子型烟雾传感器芯片，将信号放大，变化检测、报警等功能集成一体，比如：MC145018p、MC14467P、MC14458P等。由它们可以组成价格低廉、功耗低的烟雾传感器。

离子型烟雾传感器内部放射源Am-241产生alpha粒子和γ射线。其中γ射线可以被玻璃外壁的盖革管检测，alpha粒子则被阻挡在玻璃壳之外。

^{▲ 玻璃外壳的盖革管}

在没有放射源时，由于环境周围存在宇宙高能粒子，以及盖革管自发放电，盖革管产生每分钟十几次的放电脉冲。

下图显示了盖革管输出脉冲波形。

^{▲ 通常情况下盖革管每分钟十几次的放电}

去掉离子型烟雾传感器外壳，可以看到内部包含有Am-241的放射源金属片。将该金属片放在盖革管旁边，可以引起盖革管放电脉冲剧增。

由于γ射线是光子，运动速度很快，大部分γ光子都会穿过盖革管，只有少部分γ光子碰到盖革管内部气体分子，引起放电，所以盖革管检测到γ射线的效率并不高。

^{▲ 将Am241金属片放在盖革管旁边引起的电脉冲增多}

将Am-241金属片从距离盖革管11厘米处，逐步移动到盖革管旁边，所引发的放电脉冲次数会逐步增多，这是因为随着距离靠近，通过盖革管的γ光子数量增加造成的。

下图显示了随着距离靠近，盖革管输出脉冲数量的变化。

^{▲ 盖革管输出脉冲随着Am241金属片靠近而增多}

04烟雾检测历史

人类自古就受到火灾的困扰，直到工业文明之后，对于火灾检测和防范的发明才逐步增加。

根据美国专利和商标局记录，早在1901年纽约市Brooklyn区的Oscar Freymann和Charles Tolman提交了一份电子烟雾报警器专利。他们的设计中，核心部分是由蚕丝、马鬃或者相似纤维编织的线，在苏打溶液中煮20分钟，晾干抻直。

据发明者陈述，这种方法处理后的丝线可以对烟雾非常敏感。当烟雾存在的时候，丝线会延伸。当烟雾消失后，丝线回复原来长度。

^{▲ Freymann,Tolman的烟雾探测器}

Freymann和Talman的烟雾报警器是一个半机械、半电子的设备：在金属容器内，一段处理后的神奇丝线(1)被滚轮(2)拉直。金属容器底部开有烟道方便烟雾进入。丝线通过后面若干级杠杆传递（3）触发最后的开关，可以让电池驱动的报警器工作。

现代离子型烟雾检测器的发明归功于很多人的贡献，很多相关的专利在上个世纪60~70年代被多个人申请。Duane Pearsall发明烟雾检测器过程比较神奇。

^{▲ 普通家庭中的烟雾报警传感器}

他的公司原来是生产除静电装置的公司，利用检测离子电流来工作。有一次测试中他发现一名工程师偶然点燃的香烟会引起设备故障，进而激发他的灵感，这个故障现象可以用来来检测烟雾，于是就申请了发明专利，并开始研制推广离子型烟雾传感器。

通过逆向思维，将原本故障现象变成新的应用可能，这是优秀工程师的特质。所以下一次再遇到故障，需要多想想…